中学教室天然光环境视觉舒适度实验研究

2021-03-09冷天翔

照明工程学报 2021年6期

关键词：侧窗亮度黑板

边宇，林佳，冷天翔

(华南理工大学建筑学院，亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州 510640)

引言

在使用天然光过程中一旦出现视觉不舒适，使用者常常倾向于关闭遮阳帘直接拒绝采光[1]，错失了可贵的资源。

天然光环境中，眩光是导致视觉不舒适的主因[2]，目前通常使用眩光指标评价视觉舒适度，但眩光问题很复杂、类型多，且受到空间形态、使用者视看行为等诸多因素影响[3]。我国教室内的眩光问题具有如下特点：

眩光类型：眩光按照形成途径可以分为：“直接眩光”、“反射眩光”[4]。教室中这两类型眩光均可能出现，如：过亮的窗口直接出现在视野内就是一种直接眩光；当室外光线透过侧窗照射黑板，如果过量的反射光线进入人眼，使得黑板局部亮度提高、对比度下降，达到无法清晰容易地辨识其上内容，这部分亮光即是光帷眩光(veiling glare)，是一种反射眩光。

空间形态：我国中学教室空间特征明确、尺度规范。《中小学教学楼设计规范》(GB 50099—2011)[5]、《国家建筑标准设计图集(11J934-2)：中小学校场地与用房》[6]等是学校建筑设计的指导。

视看行为：学生们上课强调秩序、座位固定，课堂上的视看行为有规律可循。在课堂上，学生的视看行为主要有如下几个方面：1-看黑板上(包括屏幕)的内容；2-看桌面上的书本内容；3-注视老师等。其中，看黑板、看桌上书本上的内容需要长时间连续视看，易产生视觉不舒适问题。当学生看桌面上书本时，由于眼睛和桌面距离较近，一般不超过40 cm，此时视野范围集中在桌面上，当不出现太阳光直射桌面的情况时视觉不舒适问题不显著。因此，教室内学生看黑板时较易产生视觉不舒适问题，这种视看行为也是本次研究的主要对象。

近年来，DGP[7]被认为是表现较好的天然光眩光指标，其主要针对近窗空间提出，如办公室中靠近窗户的区域。有研究证实DGP在其他空间中也存在局限性[8, 9]。鉴于中学教室的空间特征、视看行为等特点，有必要从基础出发再认识教室中的视觉舒适度问题，不宜直接使用已有眩光指标[10]。

1 实验方法

本项目的研究方法分为两个阶段：第一个阶段为调查研究，旨在通过问卷和现场测量掌握问题最集中的方面。第二阶段为实验研究，通过实验室内的评价与测试量化分析视觉舒适度。

1.1 问卷调查

广州市某初中的4个班级为对象，4间教室均为双侧窗采光，北向侧窗无遮阳，南向侧窗外为走廊。位于首层的2间北向侧窗外有不同程度的植物遮挡，2间位于中间楼层，南侧为走廊，北侧窗外无临近遮挡(图1)。课题组先期对教室人工照明情况进行了测量，并通过从教学楼外正对立面拍摄视频的方法记录了一段时期内4间教室南北侧窗上卷帘的位置(手动控制情况)以及(南)立面的日照情况。随后，在该初中的学生家长群中进行了线上问卷调研，由家长协助初中生完成问卷。内容包括：个人情况、座位位置、视力等，核心问题为：上课时，产生视觉不舒适的原因：1-过亮的窗户；2-过亮的墙面；3-黑板上的反射光；4-课桌面上的亮光；5-荧光灯；6-其他______。

图1 选为研究对象的教室之一Fig.1 One of the classroom selected as the study objects

调研测试结果说明，受测教室的人工照明水平满足标准，灯具眩光控制合格，当太阳直射走廊(位于南向)时，部分时间南北向侧窗上的卷帘会同时放下(常直到第二天早晨才会被拉起)，部分时间两侧卷帘均无动作。

经统计，问卷调查结果中视觉不舒适的源头最集中的方面为：“3-黑板上的反射光”占全部投票的49%，其次为“4-课桌面上的亮光”占30%，“5-荧光灯”、“1-过亮的窗户”、“6-其他”占比不足10%，“2-过亮的墙面”不足5%，由此可知，黑板上的反射光(veiling glare)导致的内容看不清是教室内视觉不舒适的主要因素，其次为直射光照射课桌面。

1.2 现场测量

学生反映集中的问题中，桌面上的直射光可通过完善的遮阳设计解决，该问题另行讨论。黑板上光帷眩光的影响程度是本文所研究的问题。当视野内亮度相近的前提下，光帷眩光的影响程度可用亮度对比度衡量。如图2所示，在天然光环境稳定的前提下，在教室内前后排共6个座位上对黑板面上多个区域的亮度对比度进行测量。

图2 黑板面上亮度对比度测试布置Fig.2 The layout of luminance contrast measurement on chalkboard

综合的测试结果说明，前排、且距离明亮侧窗较远的C1位置的亮度对比度最低，黑板面上光帷眩光影响最严重的区域为靠近明亮侧窗的区域。这些结果给实验研究提供了依据。

1.3 实验研究

在前期调查测试的基础上，为研究黑板上的光帷眩光，在采光测试室内设计了实验。图3为实验场景，测试室为单侧窗，足尺寸模拟了典型中学教室的宽度及前排座位与黑板距离，测试位置为C1点，在黑板面上绘制了等间距的16个由粉笔涂白和黑板底色组成测量图案，这些图案周围用粉笔按照标准规格书写了文字图表等教学内容。

图3 模拟教室中黑板上光帷眩光实验评价测试Fig.3 The expriential evlaution and measurement of veiling glare within chalkboard in mockup classroom

实验中，测试人视看测试图案周围的文字内容，根据感受对眩光干扰程度进行6级评价，即：1-严重影响，6-无影响，其余各级介于两者之间等程度分布。接着，手持亮度计测量图案中白色分布的亮度(Lt)以及底色部分亮度(Lb)，同时仪器采集各测试图案上的照度(Ep)、观察者眼部视看方向上垂直照度(Ev)、观察者与图案的距离(D)等数据。其中，该场景中亮度对比度C的定义为：

一轮测试完成后可通过百叶调整侧窗亮度再开展下一轮测试。为期10个月的测试中，共35名受测人员参与实验评价与测试，收集了2300组测量与评价数据。